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Ratgeber

Der Vibrationssensor » Überwachung von Schwingungen

Vibrationssensoren sind häufig an einer Maschine angebracht, um die Parameter der im Betrieb entstehenden Schwingungen zu überwachen.
Er wird beispielsweise in der Windkraft eingesetzt, um die Lagerung der Rotorblätter während des Betriebs zu prüfen. Gibt die Lagerung der Maschine eine Unwucht ab, meldet der Vibrationssensor diese an die Elektronik weiter und die Maschine wird in den Notbetrieb versetzt.

Damit soll eine Resonanzkatastrophe vermieden werden, die durch ein Auf- beziehungsweise Überschwingen durch Überlagerung der Frequenzbereiche entstehen kann.

Bei Kraftfahrzeugen wird der Vibrationssensor unter anderem am Motorblock eingesetzt. Als Klopfsensor dient er der Überwachung des Motors und steuert das Zündsignal. In der Heimautomatisierung wird er immer häufiger als smarte Lösung zur Überwachung von Türen, Fenstern und vielen anderen bewegten Teilen, wo eine Vibration entsteht, eingesetzt.



Was ist eine Vibration?

Eine Vibration ist eine mechanische Schwingung von Festkörpern, die in zeitlichen Intervallen oszillieren. Sie beschreibt die beschleunigte oder verzögerte Bewegung eines Gegenstands über eine Zeit.

  • Periodische Schwingungen wiederholen sich nach einer bestimmten Dauer. Das Zeitintervall unterliegt einer Regelmäßigkeit und kann vorhergesagt werden.

  • Stochastische Schwingungen sind unvorhersehbar auftretende Ereignisse. Ein zeitlicher Verlauf kann nicht prognostiziert werden, da es ein zufälliges Auftreten ist.

  • Erschütterungen oder Stöße sind in der Intensität messbar und ein Abklingen kann über den zeitlichen Verlauf abgeleitet werden.

  • Körperschall ist eine mechanische Schwingung, die sich innerhalb eines Festkörpers ausbreitet.

Bei der Anwendung zur Überwachung einer Maschine werden typischerweise Schwingungen erfasst, die mit Geschwindigkeiten im Bereich von Millimetern pro Sekunde bis hinunter zu Mikrometern pro Sekunde erfasst werden.



Wie funktioniert ein Vibrationssensor?

Ein Vibrationssensor wandelt mechanische Beschleunigungen in elektrische Signale um und ermöglicht es Vibrationen zu messen, zu überwachen oder zu regeln. 

Der Schwingungssensor nutzt zur Messung die Beschleunigung einer seismischen Masse, die eine Kraft auf ein sensitives Element ausübt. Eine Messung kann induktiv, kapazitiv oder piezoresistiv vorgenommen werden. Die bei einer Beschleunigung entstehende Kraft wird zur Erzeugung eines elektrischen Signals genutzt. Die Klassifizierung der Vibrationssensoren beruht auf deren Empfindlichkeit, sprich wie präzise eine dynamische Bewegung erfasst werden kann. 

Eine Vibration kann als alternierende Frequenz in einer gleichmäßigen Sinus- oder in einer zufälligen Impuls-Funktion mit oder ohne Einschwingen erfasst werden. Die wohl bekannteste Schwingungsmessung ist die eines Seismografen. Der Erschütterungssensor nimmt tektonische Schwingungen auf und ein Datenlogger speichert diese zur anschließenden Auswertung.

Eine seismische Masse in einem Vibrationssensor kann über unterschiedliche Verfahren detektiert werden.

Die einfachste Realisierung wird über eine induktive Aufnahme hergestellt. Diese geschieht über einen Magneten, der auf einer Grundplatte montiert ist. Um ihn herum befindet sich federgelagert eine seismische Masse, die mit einer Spule umwickelt ist. Die Änderung der Position bewirkt eine Beeinflussung des Magnetfeldes, was sich proportional auf die von dem Sensor ausgegebene Spannung auswirkt.

Die Mikromechanik macht es möglich, Systeme in der Größenordnung von wenigen Mikrometern zu fertigen. Eine Herstellung von kapazitiven und piezoresistiven Vibrationssensoren ist damit in kompakter und energieeffizienter Bauweise, in großen Stückzahlen möglich. Die mechanischen Strukturen werden über galvanische Verfahren, Ätzverfahren oder Lasertechnik hergestellt.

1. Kraft

2. Spannung

Eine weitere Möglichkeit ist es zwei Plattenkondensatoren zu nutzen. Diese besteht aus zwei festen Kondensatorplatten, die mit dem Gehäuse verbunden sind. Die beweglichen Kondensatorplatten sind mit der seismischen Masse verbunden und können an einem Biegebalken zwischen den festen Platten schwingen. Durch die Bewegung ändert sich die Ladungsmenge innerhalb der Kondensatoren, was sich wiederum proportional auf die von dem Vibrationssensor ausgegebene Spannung auswirkt.

Der Piezoelektrische Effekt beschreibt die Änderung einer Polarisation bei Einwirken einer Kraft auf einen Festkörper. Durch den mechanischen Druck entsteht proportional zur einwirkenden Kraft ein Dipol aus Ladungsträgern. Eine Verschiebung des Kristallgitters beeinflusst die Ausrichtung der positiv und negativ geladenen Ionen, was eine elektrische Spannung erzeugt.

Der Vibrationssensor ist sich ständig wechselnden Beschleunigungen ausgesetzt. Die Masse des Kristalls ist träge, was dazu führt, dass sich die Richtung der einwirkenden Kraft ständig ändert. Eine ausgeübte Kraft ändert sich dabei proportional zur Beschleunigung. Die angebrachten Elektroden sammeln diese Ladungen und geben sie an einen internen oder externen Verstärker weiter. Ein Vibrationssensor mit Ladungsausgang benötigt einen externen Verstärker, um das Signal für Überwachungs- oder Aufzeichnungsgeräte aufzubereiten.

Der piezoelektrische Schwingungssensor besteht aus unbeweglichen Teilen und hat somit keine Verschleißerscheinungen. Das ermöglicht einen Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen.



Die Betriebsarten der Aufnehmer

Piezosensitive Vibrationsaufnehmer gibt es in verschiedenen mechanischen Bau- beziehungsweise Betriebsformen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie die Beschleunigung eine Kraft auf den Kristall ausübt. Um die grundlegenden Funktionen besser zu veranschaulichen, wird es im Folgendem an der klassischen Mechanik dargestellt:


Druckbetrieb

1. Feder / 2. Elektroden / 3. Isolierung / 4. Quarz / 5. Grundplatte
 

Durch die Schraube wird eine Feder vorgespannt, welche das Paket aus seismischer Masse und dem Sensor auf einer Grundplatte fixiert. Eine Beschleunigung wirkt sich durch Erhöhung oder Verringerung der Kraft aus, die durch die Masse auf den Kristall ausgeübt wird. Proportional dazu entsteht eine elektrische Ladung. Die Verbindung bietet eine hohe Steifigkeit und ist gut geeignet bei einer Frequenz mit hoher Amplitude.


Biegebetrieb

1. Elektroden / 2. Quarz / 3. Überlastanschlag/ 4. Isolierung /
5. Seismische Masse / 6. Stützpunkt

Die seismische Masse ist mit dem Sensor verbunden und im Biegebetrieb balkenförmig auf einem mittig sitzendem Stützlager angebracht.
Der Aufbau ist kompakt und durch die geringe Auflage und darüber hinaus thermisch stabil.
Er ist gut geeignet für den Einsatz bei einer niedrigen Frequenz.


Scherbetrieb

1. seismische Masse / 2. Piezo-Kristall / 3. Vorlastring / 4. Vorlastschraube /
5. rechteckige Säule / 6. Grundplatte

Im Scherbetrieb ist der Sensor planar auf den Flächen einer rechteckigen Säule zusammen mit der seismischen Masse angebracht. Eine Grundplatte dient als Basis für die Säule. Die Vorspannung erzeugt dabei entweder eine Vorlastschraube oder ein Vorlastring. Die Bauform ist sehr robust gegen thermische Beanspruchung und Biegung.


Azimut-Scherbetrieb

1. Seismische Masse / 2. Quarz / 3. Grundplatte / 4.  Elektrode /
5. Isolierung / 6. Vorlastring

Beim Azimut ist der Sensor in vier Quadranten unterteilt und um eine Rundsäule angebracht. Eine Lage darüber befindet sich die seismische Masse, die mit einem Vorlastring das Paket zusammenspannt. Die robuste Bauform ermöglicht es, eine Messung konzentrisch über zwei Achsen mit vier Quadranten durchzuführen.



Die Auswahl eines geeigneten Sensors

Bei der Auswahl des Sensors spielen Faktoren bezüglich der Maschine und deren Umgebung eine entscheidende Rolle. Einige Voruntersuchungen sind zu empfehlen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Informationen zu den jeweiligen Faktoren sind aus dem Datenblatt des Sensors zu entnehmen.

 

  • Der Pegel eines Vibrationssensors sollte so ausgelegt werden, dass er zu der von der Maschine abgegebenen Vibration passt.

  • Der Frequenzbereich ist von der jeweiligen Anwendung abhängig. Sendet eine Maschine in einer hohen Frequenz, ist ein anderer Sensor zu wählen als bei einer niedrigen Frequenz.

  • Die Betriebstemperatur gängiger Sensoren liegt bei circa 120°C. Darüber hinaus ändert sich das Ansprechverhalten.

  • Die Umgebungsbedingungen spielen eine tragende Rolle. Bei der Wahl des Sensors sollte die Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit oder Einflüsse durch Partikel oder Chemikalien beachtet werden. Auch elektromagnetische Interferenzen, Schwingungen durch benachbarte Maschinen oder elektrostatische Entladungen können zu einer Beeinträchtigung führen.
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